楊維，王越，劉學(xué)超，趙凱，薛鵬，張博

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099 )

陸基近程末端防空武器主要承擔(dān)要地防空和伴隨掩護(hù)地面部隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)，打擊武裝直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和低空、超低空突防的精確制導(dǎo)武器，作用不言而喻。未來(lái)作戰(zhàn)向非接觸、非對(duì)稱、零傷亡變革，從阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)到伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，地面無(wú)人系統(tǒng)進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)的局面已經(jīng)確立，促使陸基近程末端防空武器裝備更多地向信息化、智能化、無(wú)人化方向發(fā)展，無(wú)人防空武器具有持續(xù)行動(dòng)能力強(qiáng)、人員傷亡少、長(zhǎng)期無(wú)人值守等特點(diǎn)，無(wú)疑是轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要角色，可用于快速機(jī)動(dòng)、遠(yuǎn)程偵查、情報(bào)處理和火力打擊等作戰(zhàn)和支援任務(wù)。

1 無(wú)人防空武器的發(fā)展現(xiàn)狀

以美國(guó)、俄羅斯等為代表的國(guó)家在無(wú)人化、智能化方面很早就投入了人力、物力和資金，均形成了各自不同特點(diǎn)的無(wú)人武器裝備[1]。以下分別從地面無(wú)人裝備、近程防空裝備兩方面闡述國(guó)外研究現(xiàn)狀。

1.1 地面無(wú)人裝備

美國(guó)研制了“黑騎士”、“魔爪”系列地面無(wú)人裝備，其中“黑騎士”無(wú)人裝備具備30 mm速射炮火力系統(tǒng)、全地形通過(guò)能力、全頻譜感知器組、完善的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈以及先進(jìn)的人工智能指揮系統(tǒng)，如圖1所示[2]。俄羅斯軍工企業(yè)推出了11種不同戰(zhàn)斗全重級(jí)別的地面無(wú)人裝備，其中“天王星”-9無(wú)人裝備配備了1門用于防御地面和低速飛行的空中目標(biāo)的30 mm 2A72自動(dòng)炮，1架打擊輕型裝甲目標(biāo)的7.62 mm同軸機(jī)槍,4枚9M120反坦克導(dǎo)彈，可模塊化換裝4發(fā)便攜式防空導(dǎo)彈，操控人員在指揮車上對(duì)“天王星”-9無(wú)人車實(shí)施操控，目前該戰(zhàn)車已在敘利亞戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用，如圖2所示[3]。

1.2 近程防空武器

美國(guó)“復(fù)仇者”近程自行防空武器系統(tǒng)外觀如圖3所示，該系統(tǒng)將兩個(gè)四聯(lián)裝“毒刺”導(dǎo)彈發(fā)射裝置安裝在多用途車輛M998“悍馬”上，并配有紅外及光學(xué)探測(cè)跟蹤系統(tǒng)，具有迎擊目標(biāo)能力，用于摧毀近距離飛機(jī)和直升機(jī)。具有自動(dòng)的目標(biāo)威脅判斷及行進(jìn)間射擊的能力，采用模塊化設(shè)計(jì)，除采用“毒刺”導(dǎo)彈外，還可與其他便攜式導(dǎo)彈集成。

俄羅斯“潘澤爾”-S1彈炮結(jié)合防空系統(tǒng)[4]外觀如圖4所示。該裝備采用德國(guó)MAN SX45卡車底盤，火力包括兩門2A38M式30 mm火炮和配置在炮塔兩側(cè)的各6枚防空導(dǎo)彈，發(fā)射SAM導(dǎo)彈攔截斜距為20 km、高度為15 km內(nèi)的空中目標(biāo)，發(fā)射高毀傷概率炮彈攔截斜距為4 km、高度為3 km內(nèi)的空中目標(biāo)。

2 無(wú)人防空武器的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 重點(diǎn)提升自主性能，加強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知能力

無(wú)人裝備現(xiàn)階段主要是以遠(yuǎn)程遙控為主，存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一方面是需要操作人員時(shí)刻關(guān)注平臺(tái)與周邊環(huán)境狀態(tài)，操作人員的負(fù)擔(dān)較重；另一方面，遠(yuǎn)程遙控對(duì)于通信的帶寬以及實(shí)時(shí)性具有較高的要求，同時(shí)對(duì)通信的安全性與穩(wěn)定性要求也較高。無(wú)人防空武器將沿著遠(yuǎn)程遙控控制到部分功能自主直至全自主的路線發(fā)展[5-6]。其中，半自主以及全自主方式下通過(guò)內(nèi)部以及外部傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境以及自身狀態(tài)感知，借助決策系統(tǒng)將任務(wù)分解至規(guī)劃層與控制層，實(shí)現(xiàn)無(wú)人防空武器的自主行為。

2.2 提高信息處理能力和快速反應(yīng)能力

對(duì)于防空裝備而言，即要滿足對(duì)高速目標(biāo)打擊的需要，同時(shí)又滿足對(duì)多批次攻擊防御的需要，因而，通過(guò)不斷優(yōu)化火控模型，提高解算速度及精度，提升響應(yīng)能力。其中，特別是信息處理向多源集成化和高速化發(fā)展。主要體現(xiàn)在，一是多源信息融合、信息處理集成化；二是采用高處理速度器件、運(yùn)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信總線，提升信息處理能力和速度；三是應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)信息處理軟硬件進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，提升系統(tǒng)的可控性、安全性。

2.3 集成多類型防空武器對(duì)抗多種類目標(biāo)威脅

現(xiàn)代反空襲作戰(zhàn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，在面對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的多種類目標(biāo)威脅，單一防空武器已不能支撐現(xiàn)代防空作戰(zhàn)任務(wù)。低空突防目標(biāo)類型主要包括武裝直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈和無(wú)人機(jī)群等。通過(guò)遠(yuǎn)近分層攔截來(lái)襲目標(biāo)，光電、電磁壓制與干擾等軟殺傷方式可使這些空中目標(biāo)的控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等暫時(shí)失效，但無(wú)法徹底毀傷目標(biāo)，因此防空導(dǎo)彈、火炮、機(jī)槍為主的硬殺傷手段并不能缺失[7]。

3 無(wú)人防空武器的系統(tǒng)組成及操控方式

3.1 系統(tǒng)組成

無(wú)人防空武器由無(wú)人機(jī)動(dòng)平臺(tái)、任務(wù)載荷系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)組成，如圖5所示。

1)無(wú)人機(jī)動(dòng)平臺(tái)：采用通用無(wú)人底盤，集成環(huán)境感知與定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并為車載各系統(tǒng)設(shè)備提供承載、能源和信息支持，采用高度集成化、模塊化的設(shè)計(jì)理念，其結(jié)構(gòu)形態(tài)表現(xiàn)為雙側(cè)設(shè)置動(dòng)力-行動(dòng)一體化的高機(jī)動(dòng)系統(tǒng)模塊，不僅具備高通過(guò)性能，還能夠?yàn)橹胁康娜蝿?wù)模塊提供良好的緩沖隔振與安全防護(hù)。

2)任務(wù)載荷系統(tǒng)：集成探測(cè)和跟蹤系統(tǒng)、防空導(dǎo)彈系統(tǒng)、火力炮塔系統(tǒng)、信息控制系統(tǒng)和武器隨動(dòng)系統(tǒng)，主要完成對(duì)來(lái)襲目標(biāo)的預(yù)警探測(cè)、跟蹤識(shí)別、火控解算、武器調(diào)轉(zhuǎn)控制、導(dǎo)彈和火炮發(fā)射控制等。

3)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)：由車載式操控系統(tǒng)和便攜式操控系統(tǒng)組成，能夠接入有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，可通過(guò)車載式或便攜式操控終端實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人車的遠(yuǎn)程控制，可自動(dòng)獲取并上傳車輛狀態(tài)信息、位置信息、環(huán)境信息、目標(biāo)信息、任務(wù)載荷狀態(tài)等信息。

3.2 操控方式

無(wú)人防空武器具有遙控式、半自主式和有監(jiān)督的自主式3種等級(jí)的操控方式[8]，以滿足不同任務(wù)復(fù)雜度、行駛環(huán)境復(fù)雜度和無(wú)人車智能化水平下的控制需要。

1)遙控式：主要依靠人的智能和經(jīng)驗(yàn)來(lái)操控?zé)o人底盤和任務(wù)載荷，在這種控制模式下，無(wú)人防空武器的每個(gè)機(jī)動(dòng)動(dòng)作、每個(gè)功能的啟停都完全依靠操控者輸入的動(dòng)作級(jí)指令。在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，無(wú)人車向操作者實(shí)時(shí)反饋環(huán)境信息和車輛狀態(tài)信息。

2)半自主式：將人類智能和機(jī)器智能融合在一起，共同參與無(wú)人防空武器的控制。在這種控制模式下，操作者并不直接向無(wú)人防空武器發(fā)送動(dòng)作級(jí)控制指令，而是通過(guò)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)輸入更高層次的行為級(jí)指令，無(wú)人防空武器的行為理解單元根據(jù)本車當(dāng)前反饋信息，由行為級(jí)指令生成一系列動(dòng)作級(jí)指令。

3)有監(jiān)督自主式：是一種人機(jī)智能融合的無(wú)人防空武器操控模式，是比半自主式更上層的操控模式，充分發(fā)揮無(wú)人防空武器的主觀能動(dòng)性。在該模式下主要依靠機(jī)器智能來(lái)理解任務(wù)并操控?zé)o人防空武器。在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中操作者只起到監(jiān)督的作用，必要時(shí)對(duì)無(wú)人防空武器的行為進(jìn)行人工干預(yù)。在有監(jiān)督自主模式下，操作者只需給出宏觀的任務(wù)描述或關(guān)鍵任務(wù)信息，由無(wú)人防空武器任務(wù)理解單元對(duì)任務(wù)級(jí)指令進(jìn)行理解并生成行為級(jí)指令。無(wú)人防空武器即可根據(jù)行為級(jí)指令，并結(jié)合環(huán)境感知信息和平臺(tái)狀態(tài)信息，周期性生成動(dòng)作級(jí)控制指令。

4 無(wú)人防空武器的控制架構(gòu)

無(wú)人防空武器控制結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用分層遞階控制架構(gòu)[9-10]，共分為4層，從上到下分別是遠(yuǎn)程操控層、任務(wù)理解與決策規(guī)劃層、任務(wù)載荷控制層和底盤控制層。

遠(yuǎn)程操控層是無(wú)人防空武器控制架構(gòu)的頂層，可根據(jù)操控方式的不同，通過(guò)人機(jī)交互界面，輸出動(dòng)作級(jí)指令、行為級(jí)指令和任務(wù)級(jí)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人底盤和任務(wù)載荷的操作控制。其中行為級(jí)指令和任務(wù)級(jí)指令輸出至任務(wù)理解與規(guī)劃層，動(dòng)作級(jí)指令直接輸出至底盤控制層和任務(wù)載荷控制層。

任務(wù)理解與規(guī)劃層是無(wú)人防空武器控制架構(gòu)的核心控制層，對(duì)上接收遠(yuǎn)程操控層輸出的任務(wù)級(jí)指令和行為級(jí)指令，將其分解為無(wú)人底盤機(jī)動(dòng)行駛和任務(wù)載荷防空作戰(zhàn)具體動(dòng)作(如目標(biāo)搜索、目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)跟蹤、火力打擊、智能配電等)，并發(fā)往下一層。

在遙控模式下，遠(yuǎn)程操控層的駕駛操控模塊直接與底盤管控模塊發(fā)生信息交互，通過(guò)對(duì)無(wú)人防空武器的直接運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操作控制；在半自主和有監(jiān)督自主模式下，機(jī)動(dòng)行駛方案經(jīng)由行駛?cè)蝿?wù)理解模塊分解后生成，實(shí)現(xiàn)自主機(jī)動(dòng)。

底盤控制層根據(jù)自主機(jī)動(dòng)和遙控駕駛指令，協(xié)調(diào)控制底盤的轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)與檔位，實(shí)現(xiàn)精確的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制。

任務(wù)載荷控制層在遙控模式下可接收?qǐng)?zhí)行遠(yuǎn)程操控層發(fā)送的動(dòng)作級(jí)指令，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。在半自主模式和有監(jiān)督的自主模式下接收并執(zhí)行任務(wù)理解與規(guī)劃層分解后的動(dòng)作級(jí)指令，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

從圖6看出，無(wú)人防空武器所采用的分層遞階控制架構(gòu)控制結(jié)構(gòu)為多模式的人機(jī)智能融合提供了可能，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)不僅可與底盤和任務(wù)載荷有直接的控制指令交互，還可通過(guò)智能化的任務(wù)分解與行為規(guī)劃，為人機(jī)智能融合的多模式(遙控、半自主、有監(jiān)督的自主)共融無(wú)縫切換提供基礎(chǔ)。

5 無(wú)人防空武器的關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 總體設(shè)計(jì)及優(yōu)化匹配技術(shù)

為滿足無(wú)人防空武器的作戰(zhàn)使用要求，上裝綜合集成了防空導(dǎo)彈、小口徑高速射火炮武器等火力單元、雷達(dá)探測(cè)和光電跟蹤單元、車載通信單元及隨動(dòng)控制單元，需在有限的空間緊湊布置大量機(jī)械電子設(shè)備，多火力結(jié)合后的系統(tǒng)配置復(fù)雜。根據(jù)系統(tǒng)組成及各分系統(tǒng)和單體的技術(shù)特點(diǎn)，以充分發(fā)揮各分系統(tǒng)和單體效能、滿足無(wú)人防空武器功能性能為目的，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)布局、控制流程的詳細(xì)分析，合理進(jìn)行功能劃分和指標(biāo)分配。通過(guò)輕質(zhì)高強(qiáng)度材料應(yīng)用和剛強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)武器轉(zhuǎn)塔的集成和輕量化，減輕各結(jié)構(gòu)件和電氣箱體質(zhì)量和體積；將雷達(dá)、光電一體化集成設(shè)計(jì)，共用復(fù)合搜索跟蹤伺服平臺(tái)，減少體積和質(zhì)量。將全車信息控制、數(shù)據(jù)處理、任務(wù)理解與決策、火控解算、隨動(dòng)控制綜合集成到信息一體化處理機(jī)，將配電、驅(qū)動(dòng)控制、火力控制綜合集成到任務(wù)載荷驅(qū)動(dòng)控制箱，降低了箱體數(shù)量、質(zhì)量和體積。同時(shí)完善電磁兼容性、人機(jī)環(huán)、安全性、可靠性和維修性等方面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人防空武器的總體最優(yōu)化設(shè)計(jì)[11-12]。

5.2 多類型目標(biāo)精確打擊技術(shù)

無(wú)人防空武器應(yīng)具備對(duì)武裝直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈、輕小型無(wú)人機(jī)等多類型目標(biāo)打擊能力，為充分發(fā)揮不同種類防空武器的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在任務(wù)載荷上集成防空導(dǎo)彈和小口徑高速射火炮武器。系統(tǒng)組成復(fù)雜，影響多類型目標(biāo)精確打擊的因素主要包括光電跟蹤精度、雷達(dá)跟蹤精度、射擊諸元解算精度、隨動(dòng)跟蹤精度、整車剛強(qiáng)度、導(dǎo)彈精確打擊技術(shù)，每個(gè)環(huán)節(jié)均影響無(wú)人防空武器的精確打擊能力。例如目標(biāo)高精度跟蹤技術(shù)[13]，通過(guò)采用交流力矩電機(jī)，減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高平臺(tái)結(jié)構(gòu)件的剛度及機(jī)械諧振頻率，避免結(jié)構(gòu)諧振頻率對(duì)環(huán)路伺服帶寬的限制；采用信號(hào)濾波合成的高精度前饋控制方法，提高了光電搜索跟蹤系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定和跟蹤精度。由于篇幅有限，這里對(duì)其他提高目標(biāo)精確打擊的技術(shù)環(huán)節(jié)不再逐一分析。

5.3 復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下目標(biāo)智能識(shí)別與決策技術(shù)

復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下目標(biāo)智能識(shí)別與決策技術(shù)主要包括低空目標(biāo)識(shí)別技術(shù)[14]、弱小目標(biāo)跟蹤技術(shù)和智能打擊決策技術(shù)。在目標(biāo)檢測(cè)跟蹤方面，通過(guò)在傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)跟蹤算法中增加目標(biāo)在線學(xué)習(xí)模塊，可在跟蹤過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行訓(xùn)練和分類判斷，提高跟蹤的抗干擾能力。在目標(biāo)識(shí)別方面，采用目標(biāo)局部區(qū)域圖像超分辨率技術(shù)、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，在保證目標(biāo)細(xì)節(jié)的同時(shí)，將原有分辨率提升，輸出目標(biāo)坐標(biāo)位置和目標(biāo)類型，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)識(shí)別算法更高的檢測(cè)精度、更低的虛警率、更好的適應(yīng)性。在智能決策方面，采用基于深度、強(qiáng)化學(xué)習(xí)的協(xié)同攻防動(dòng)態(tài)決策解決方法，建立協(xié)同攻防動(dòng)態(tài)多序列決策強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)協(xié)同攻防決策自主化。

5.4 自主機(jī)動(dòng)技術(shù)

無(wú)人防空武器要實(shí)現(xiàn)一系列的自主駕駛行為，涉及到對(duì)外部環(huán)境的精確感知、對(duì)自身的精確定位以及智能化決策控制。在野外環(huán)境條件下，對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行分析是關(guān)鍵，分析三維地形幾何特征、地形覆蓋、檢測(cè)并對(duì)可能是障礙的地形分類，評(píng)估各種地形的可通過(guò)性。同時(shí)還需要解決惡劣氣象條件和光照條件對(duì)外部環(huán)境的準(zhǔn)確感知與理解。采用雙目視覺(jué)與激光雷達(dá)相融合的障礙檢測(cè)技術(shù)、可見(jiàn)光圖像增強(qiáng)技術(shù)、利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行地形地貌的分類技術(shù)、多源信息融合的環(huán)境自適應(yīng)定位狀態(tài)估計(jì)技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境和不確定條件下的自主機(jī)動(dòng)行為決策與高精度控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)無(wú)人防空武器的自主機(jī)動(dòng)。

5.5 遠(yuǎn)程操控技術(shù)

遠(yuǎn)程操控技術(shù)主要針對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)平臺(tái)和任務(wù)載荷的控制需求，對(duì)無(wú)人防空武器遠(yuǎn)距離操控、多通道信息交互、多平臺(tái)集成操控等進(jìn)行研究，開(kāi)展指揮控制體系結(jié)構(gòu)、人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、多模式人機(jī)交互與態(tài)勢(shì)監(jiān)控等技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人防空武器任務(wù)規(guī)劃、自主/遙控駕駛、任務(wù)載荷操作。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人防空武器是防空武器裝備由機(jī)械化向信息化、智能化發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是各國(guó)裝備研究技術(shù)水平的重要標(biāo)志?？傮w而言，我國(guó)在防空武器裝備的無(wú)人化發(fā)展落后于技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家。為此，應(yīng)抓住機(jī)遇，推動(dòng)防空武器的無(wú)人化、智能化技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)新技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)拓，實(shí)現(xiàn)陸軍武器裝備跨越式發(fā)展。